夏热冬冷地区公共建筑的绿色节能优化措施浅析

郑 琳, 张 炜, 金翔宇

(四川大学建筑与环境学院深地科学与工程教育部重点实验室， 四川成都 610065)

夏热冬冷地区公共建筑的绿色节能优化措施浅析

郑 琳, 张 炜, 金翔宇

(四川大学建筑与环境学院深地科学与工程教育部重点实验室， 四川成都 610065)

为应对全球气候变化，能源短缺的问题，绿色节能建筑成为建筑设计领域里研究的热点方向。而公共建筑能耗高，节能潜力大。特别是图书馆建筑存在着巨大的节能空间。文章以成都地区某图书馆为例，浅析了公共建筑节能设计的方法。文章在原有的建筑设计基础上，对图书馆建筑进行了绿色节能改造。结合图书馆建筑类型的特点从主动式设计与被动式设计两个方面进行合理设计。并且对图书馆建筑进行了软件能耗模拟分析与节能措施经济性计算，更加直观的得到绿色图书馆建筑的节能效果。文章对夏热冬冷气候条件下图书馆类型建筑的设计具有重要指导意义。

公共建筑； 绿色建筑； 图书馆； 节能改造； 节能技术； 计算

随着气候变化与能源的匮乏，资源与环境成为人们越来越重视的问题。对绿色建筑的研究是节约能源提高能源利用率的一种有效手段。在既有建筑能耗中，公共建筑的能耗问题尤为突出[1]。因此未来的建筑学不仅仅要考虑建筑本身的安全性、实用性、美学性，更要将“绿色，节能”的概念深入到设计中去。绿色建筑即在建筑的全寿命周期内，建筑的设计可以最大程度的节约资源、保护环境和减少污染[2]。能够为人们提供健康、舒适，与自然和谐共生的建筑。绿色建筑并不是指一般意义的在建筑上实施绿化手段，而是复合现代建筑设计的一种潮流。又称为可持续发展建筑、生态建筑、节能环保建筑[3]。

公共建筑的节能设计要遵循相应的法律法规节能设计标准和相关的节能要求。同时在设计中要注重建筑的热工设计与空调设计[4]。要遵循以人为本的理念，最大程度的节能，并且保护环境。随着人类进入信息化社会，传统的图书馆设计已经落后于时代的需求，所以要以可持续发展的思想设计新型现代化的绿色图书馆建筑[5-6]。

绿色图书馆建筑要追求自然、健康、低能耗、无污染的特点。其中，绿色的含义有四点：第一，节能。即在绿色图书馆的设计中，可以利用到可再生能源与清洁能源；第二，节地。即在绿色图书的设计要充分利用已有空间，做到空间利用最大化；第三，节水。在绿色图书馆的设计中，要充分回收水资源，循环使用水资源；第四，节材。即在绿色图书馆的建造中，要节约材料，使用无污染无辐射的建筑材料，减少废弃物的污染，增加废料的可重复使用率，不破坏生态平衡。除了这四点，绿色图书馆的设计还要考虑室内空气品质，要保证图书馆内人员的舒适度[7]。图书馆是人们获取知识和学习的重要场所，是文化传播的载体。现代图书馆的功能已经不仅仅是阅读作用，更是信息交流、举办讲座、知识培训的场所，对图书馆的绿色节能设计研究具有重要的意义[8-9]。本文针对夏热冬冷气候条件下的图书馆建筑进行了建筑节能设计改造，在原有基础上，通过主动式技术与被动式技术两个方面进行了最大程度的绿色节能设计。

1 建筑概况与地域性气候分析

该图书馆位于四川省成都市四川大学江安校区，属于夏热冬冷气候区。亚热带季风性湿润气候，雨量充沛，日照较少。该栋图书馆的外形设计和空间布局如图1所示，建筑北向为湖。建筑面积为8 630 m2，梯形结构。建筑设计各部分之间相互分割，但又紧密联系，各个流线自然顺畅，营造出一种多变的空间秩序。

图1 图书馆外观与空间布局

根据ECOTECT软件得到该位置的气候条件(图2)。成都的年平均气温是16.5 ℃，年平均降雨量为904 mm，年平均相对湿度为84 %。全年主导风向为东北东(NNE)，根据风向图得到建筑设计的最佳朝向为东偏南68.5°～71°。通过焓湿图分析可知，通风占据很大的能耗负荷。着重改善通风这一措施，可以有效的提高节能效果。所以在该图书馆的绿色节能设计中，要着重考虑通风。根据《民用建筑热工设计规范》，在设计中夏季放热是节能设计中的重要环节[10]。根据特定的气候条件与软件分析，在图书馆的绿色建筑设计上会突出自然通风、太阳能辅助式热源与相变蓄冷围护结构这三种技术。

图2 气候分析

2 被动式节能技术

被动式节能技术是指以非机械电气设备干预手段降低建筑能耗的技术，在具体的建筑设计中，主要通过对建筑朝向的设计、遮阳的设计、利于自然通风的设计等手段和措施[11]来实现节能的目的。在被动式节能技术的设计中，还要考虑到美观和与自然的协调性。对于绿色图书馆的设计来说，还要满足人体的舒适性和空间布局的合理性，室内空气的新鲜与干净，营造出一个合适大家阅读的良好的环境[12]。在此次的设计中，被动式设计主要有图3所示的三个方面。

图3 图书馆被动式绿色技术设计

(1)入口处的设计。入口处设计成架高的凹字形，高度差造成空气温度的不同，从而与周围的湖面形成热压，带来自然通风。入口周围装有雨水收集系统，收集夏季的雨水并用于自然循环，能够有效的节约雨水资源。在入口平台处安装有发电地砖，它可以从行人脚步的踩踏中收集机械能，并转化为电能，收集到的电能加以利用到路灯系统中。

(2)中庭玻璃空间的设计[13]。中庭玻璃空间，要比屋顶高出2 m，类似于风帽设计。玻璃材料使用low-e玻璃，中庭顶部透明，这样在增大自然采光的同时，不增加太阳辐射，从一定程度上降低空调的热负荷。并且，在柱体的侧面安装通风百叶窗，再加上图书馆内部上升的热气流与风口处较冷的空气形成热压，这两个方面都增强了自然通风。

(3)屋顶上的会议室，在围护结构的设计中，将相变蓄热材料渗入到现有的建筑材料中，制成相变蓄能围护结构，增加了围护结构的蓄热功能，减弱室内和室外的热流波动幅度，改善房间的热性能，提高了舒适度，降低了空调设计符合和运行能耗。并且在相变蓄热墙体中设置风道，利用夜间通风，在冬季将墙体白天的蓄热带进室内，在夏季可以将室内的热量带出室外。

3 主动式节能技术

主动式节能技术是指通过可再生资源利用减少电能的消耗。在对图书馆的主动式技术设计方面主要有图4所示的三个方面。

图4 太阳能辅助式水源热泵系统

(1)在该图书馆的设计中主要使用了太阳能辅助式水源热泵系统，末端采用毛细管辐射吊顶的模式。水源热泵系统加太阳能辅助热源，因地制宜，充分利用了图书馆旁边的可再生能水资源。当冬季温度比较低的时候，湖水的温度也会降低，这种低温的水进入系统换热后，换热温差增大，就会有胀裂管道的危险，从而影响整个系统的运行，为防止这种故障发生，一般的热泵系统都会设置进水温度保护装置，当水温低于设定值时，机组保护停机，水温恢复到设定值以上时，机组重新开机。如果水温反复变化，机组就会出现频繁的开停机，严重影响机组的寿命，也影响建筑物的空调效果，这种情况就可以采取辅助热源的形式保证机组的正常运行。

(2)根据气候条件用太阳能辅助热源。冬季时，太阳能用于辅助水源热泵进行换热，并可以提供图书馆内少量生活热水的供应。在夏季时候，太阳能集热器可以进行开水箱的预热，节约了一部分电能。在过渡季节采用独立的全新风系统，全新风系统给图书馆内部空间带来良好品质的空气，提高人们的舒适性与阅读体验。

(3)空调系统的末端采用毛细管网辐射吊顶系统。该系统可以创造出“头冷脚热”的环境，更加舒适，没有冷风感。该系统的能耗是其他常规空气系统的十分之一。毛细管网辐射过程的持续发生，能不断调节人体与室内家具其他物品表面温度，就像皮肤中的毛细血管一样柔和的调节室内温度，从而满足人体高舒适度要求。

4 节能计算与可行性计算

该建筑的空调制冷系统有三种备选方案，第一种为吸收式制冷机组；第二种为水源热泵；第三种为水冷式冷水机组结合燃气锅炉。三种方案分别的经济性分析如下。

(1)A方案。选用2台吸收式制冷机组(总制冷量为 950×2=1 900 kW总制热量为630×2=1 260 kW)夏季制冷主机配电负荷为5.2×2=10.4 kW，输配系统配电负荷为71.4×2=142.8 kW，系统总配电负荷为153.2 kW。冬季采暖主机配电负荷为5.2×2=10.4 kW，输配系统配电负荷为52×2=104 kW，系统总配电负荷为114.4 kW。全年总配电267.6 kVA。

(2)B方案。选用3台螺杆式水源热泵机组(总制冷量为630×3=1 860 kW，总制热量为 504×2=1 008 kW)夏季制冷主机配电负荷3.4×3= 10.2 kW，输配系统配电负荷为98 kW，系统总配电负荷108.2 kW。冬季采暖配电负荷为2.9×2=5.8 kW。系统总配电需58 kVA。全年总配电需166.2 kVA。

(3)C方案。选用冷水机组3台，锅炉1台(总制冷量为700×3=2 100 kW，总制热量为1 000 kW)夏季制冷主机配电负荷92×3=276 kW，输配系统配电负荷为165 kW，系统总配电负荷为441 kW。冬季采暖锅炉配电负荷为4.4 kW，输配系统配电负荷为96.8 kW，系统总配电负荷为101.2 kW。全年总配电需542.2 kVA。

根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》太阳能热源能耗计算，太阳能集热器总面积计算如下：

(1)

系统年节约能量效益评估：

(2)

全年节能费用计算如下：

(3)

其中：C为水的比热容；Q为平均日热水量；Tr为集热器进口工质温度；Ta为环境温度；f为太阳能保证率；Jt为年平均日太阳辐射照量；ηt为热损失率；ηcd为集热器效率；L最高日用水定额

由计算分析得到方案B的全年配电量最小，因此选用该方案是最节能的。即该栋建筑的空调制冷系统采用水源热泵系统，并且结合太阳能辅助热源。

5 结论

在图书馆的建筑设计上，采取整体迎湖面纵向退台式设计和横向流线型设计，加强了自然采光与通风。屋顶中庭采光天井采用low-e玻璃，在增加采光的同时减少了太阳辐射，降低了室内的空调冷负荷，达到了节能的目的。太阳能热源辅助水源热泵中央空调系统有效的节约了电能的消耗，毛细管网末端保证了室内的空气品质和环境。

基于可行性分析与计算得到，该图书馆的设计在节能后能够有效的节约电能。这种以被动式节能技术为主，主动式节能为辅的绿色节能设计，能够解决图书馆建筑类型能源消耗比较大的问题。但是目前制约公共建筑节能改造的主要问题还是成本问题。一方面，建造图书馆的造价比较高；另一方面，绿色节能设计中用到的节能材料往往造价很高。所以在进行绿色图书馆节能设计时不仅要严格负荷公共建筑节能设计规范，更要考虑建筑技术的可操作性。

[1] 谯川. 公共建筑节能改造的合同能源管理模式研究[D].重庆大学,2008.

[2] 叶祖达. 我国绿色建筑的设计技术选择分析[J]. 现代城市研究,2013(10):60-69.

[3] 靳家佳,郝生跃. 节能建筑推广利益相关者行为分析[J]. 工程管理学报,2012(4):32-35.

[4] 侯静, 武涌, 刘伊生. 既有公共建筑节能改造市场化途径研究[J]. 城市发展研究, 2014(6): 1-5.

[5] 庄青, 以宁夏图书馆新馆建筑设计为例看公共建筑节能设计[J]. 图书馆理论与实践, 2010(8): 12-13.

[6] 张立. 大型公共建筑节能管理模式研究[D].西安建筑科技大学,2012.

[7] 吴海华, 王立诚. 现代图书馆建筑节能问题研究[J]. 山东图书馆学刊, 2013(5): 71-74.

[8] 潘向泷. 关于图书馆建筑节能的研究与实践[J]. 图书馆论坛, 2007(3): 147-149.

[9] 王玮, 亢琦, 叶飞. 绿色图书馆研究与实践进展[J]. 图书与情报, 2015(2): 24-29.

[10] 冯雅. 《公共建筑节能设计标准》中外窗及幕墙热工参数的确定[J]. 暖通空调, 2005(8): 44-47.

[11] 魏园园. 被动式节能技术在建筑改造中的应用策略研究[D].浙江大学,2015.

[12] 丁娜. 绿色建筑被动式节能设计技术[J]. 洛阳理工学院学报: 自然科学版, 2015(4):35-38.

[13] 杨延萍, 高旭聪, 杨素云. 广州地区高校图书馆中庭设计与节能[J]. 建筑节能, 2015(4): 61-65.

国家自然科学基金资助项目(编号：51508352)；深地科学与工程教育部重点实验室(四川大学)开放课题基金资助项目(编号：DUSE201702 )；成都市科技惠民项目 (编号：2015-HM01-00244-SF)

郑琳(1993～)，女，硕士研究生。

张炜(1981～)，男，博士，副教授，研究方向为建筑节能技术与可再生能源应用。

TU201.5

A

[定稿日期]2017-06-24